Квазидвумерные соединения

КВАЗИДВУМЕРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, кристаллы со слоистым типом кристаллической упаковки и соответственно сильной анизотропией движения электронов. Внутри плоскости слоёв движение электронов часто близко к изотропному. Электронный спектр квазидвумерных соединений характеризуется широкой зоной проводимости в плоскости слоёв, а в направлении, перпендикулярном слоям, ширина зоны оказывается намного меньше. Для описания такого движения электронов обычно используется модель эффективной массы внутри слоёв и приближение сильной связи для движения электронов между слоями (смотри Зонная теория, Елоховские электроны). Энергия электрона Е в зависимости от квазиимпульса р имеет вид: Е(р_‖, р_⊥) =  р2_‖/2m^*_‖ + δcos(р_⊥d)ħ, где р_‖ - квазиимпульс вдоль слоёв, р_⊥- квазиимпульс поперёк слоёв, d - расстояние между слоями, m^*_‖- эффективная масса электрона в плоскости слоя, δ - полуширина зоны проводимости для движения между слоями, ħ - постоянная Планка.

Сильная анизотропия такого типа реализуется, например, в слоистых кристаллах дихалькогенидов переходных металлов типа TaS₂ (металлическая проводимость) или MoS₂ (полупроводник), а также в их интеркалатах с иодом или интеркалатах графита. В дихалькогенидах переходных металлов слой металла с двух сторон окружён слоями халькогенов и связь этих трёх слоёв в «сэндвиче» является сильной (ковалентной). «Сэндвичи» упакованы в кристалле также слоями, причём их взаимодействие близко к ван-дер-ваальсовскому. В интеркалатах металлические слои раздвинуты ещё больше непроводящими слоями молекул или групп атомов, введённых в пространство между «сэндвичами». К квазидвумерным соединениям относятся также органические проводники, где плоские органические молекулы упакованы в цепочки, которые, располагаясь параллельно друг другу, образуют проводящие слои, разделённые непроводящими слоями других молекул; например, в триодиде бис-(этилендитио)тетратиафульвалена (BEDT-TTF)₂I₃ проводящие слои плоских молекул BEDT-TTF разделены слоями из атомов иода.

Анизотропия проводимости σ_‖/σ_⊥ (σ_‖ - проводимость вдоль слоя, σ_⊥ -проводимость в перпендикулярном направлении) достигает 50 в слоистых соединениях типа TaS₂ и 10⁵ в интеркалате TaS₂ с пиридином.

По мере уменьшения δ движение электронов приближается к двумерному, а ниже некоторого порогового значения Е₀ для δ система начинает вести себя как двумерная. Пороговое значение Е₀ совпадает с характерной энергией эффекта.

Например, если рассматривается экситон Ванье - Мотта в слоистом полупроводнике, то Е₀ - энергия связи экситона. При δ >> Е₀ реализуется трёхмерный анизотропный экситон; при δ << Е₀ экситон локализован в слое. В случае сверхпроводимости энергия Е₀ по порядку величины равна температуре сверхпроводящего перехода Т_кр, и при δ >> Т_кр рассматривается обычный анизотропный сверхпроводник, при δ <<  Т_кр реализуется джозефсоновское взаимодействие слоёв со всеми свойствами, характерными для джозефсоновских переходов во внешних полях. Системы δ << Е₀ называются квазидвумерными (в узком смысле) по отношению к рассматриваемому эффекту. Таким образом, система может быть обычной анизотропной для одного явления и квазидвумерной для другого эффекта.

Лит.: Булаевский Л. Н. Сверхпроводимость и электронные свойства слоистых соединений // Успехи физических наук. 1975. Т. 116. Вып. 7; Ягубский Э. Б. и др. Сверхпроводящие свойства ромбической фазы триодида бис-(этилендитио)тетратиафульвалена // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1984. Т. 39. № 6.